Робота генератора із зовнішнім збудженням (ГЗЗ) на польових транзисторах у граничному і недонапруженому режимах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Робота генератора із зовнішнім збудженням (ГЗЗ) на польових транзисторах у граничному і недонапруженому режимах

Незалежно від того що принцип керування електричним струмом за допомогою електричного поля було сформовано у 1930 р., перші польові транзистори (ПТ) з'явилися на початку 60-х років, і тільки наприкінці 70-х років були розроблені потужні ПТ. Зараз вже випускаються ПТ для роботи у діапазоні до 60…300 МГц і 2...3 ГГц із корисною потужністю відповідно 50...70; до 50 і 10 Вт.

Польові транзистори великої потужності (10...150 Вт), також як і БТ, виготовляється у вигляді безліч простих транзисторів, з'єднаних у паралель і розташованих на одній кремнієвій підшарці. Польові транзистори, як і біполярні, виготовляються у вигляді горизонтальної і вертикальної структури (рис. 1,а,б). На цих рисунках наведен поперечний зріз одиничного ПТ. Він складається з підставки 1 (кремній р-типу), частин витіка 2 стока 3 (кремній n-типу), металевих контактів витіка, засліну і стоку 4 і шару ізолятора 5 - окисі кремнія між контактом засліну і поверхнею підшарки. При подачі на заслін відносно витіка позитивного потенціалу у підшарці поблизу засліну накоплюються електрони, відбувається інверсія провідності цієї частини підшарки і між частинами витіка і стока утворюється канал n-типу, по якому може текти струм у вигляді потоку електронів.

Параметри ПТ сильно залежать від довжини каналу lк; так, куртість характеристики струму стоку , опір ПТ у відкритому стані rвідкр пропорційно lк. Типові вихідні статичні характеристики ПТ із довгим каналом (20...50 мкм) показані на рис. 2,а. Вони відрізняються непостійністю крутості в активній області і малою крутістю лінії граничного режиму, внаслідок чого такі ПТ працюють із низькими значеннями і ККД.

Розроблені у останньому десятиріччі ПТ із коротким каналом (менш 10 мкм) мають гарні показники. Поперечний розріз частини потужного ПТ із коротким каналом зображен на рис. 1,б. Ці транзистори, мають вертикальну структуру (струм Іс тече у підшарці знизу доверху). Підшарка 1 - кремній n-типу; у підшарку методом подвійної дифузії введена леговані добавки для зон із кремнієм р-типу 2 і n-типу 3; на підшарці знизу мається електрод стоку; а зверху - електроди витіков. Електрод засліну нанесен на ізольований шар SiO2.

У цьому ПТ канал n-типу утворюється в частині зони кремнія р-типу, розміщеною безпосередньо під електродом засліну (ця частина зони на рис. 1,б закреслена).

Наявність шару діелектрика між електродом засліну і напівпровідником, в якому утворюється канал, зіпсовує ВЧ властивості транзистора. Застосування засліну з бар'єром Шоткі, названого металево провідниковим дозволяє збільшити високочастотність (1...2 Вт на частотах 12...15 ГГц). Для зменшення витрат у таких транзисторах часто в якості напів- провідника застосовують арсенід галія.

Рисунок 1 - Устрій польових транзисторів із горизонтальною (а) і вертикальною (б) структурами

Вихідні статичні характеристики ПТ із коротким каналом наведенні на рис. 2,б. Можна бачити, що вони вигідно відрізняються від характеристик граничного режиму Sгр, меншим опором відкритого транзистора і великою постійністю крутості S в активній області. Внаслідок цього ПТ із коротким каналом за енергетичними показниками порівнюють з БТ, але порівняно з останніми вони більш придатні для посилювачів із лінійними амплітудними характеристиками.

Для оцінки «високо частотності» ПТ можна ввести поняття граничної частоти fгр, при якій час перебігу електронів крізь канал співпадає з тривалістю періоду коливань:

,

де vs - швидкість руху електронів у каналі n-типу ();

lк - довжина каналу.

Значення fгр для ПТ різних типів знаходяться в межах 200 МГц...16ГГц.

Рисунок 2 - Статичні характеристики польових транзисторів із довгими (а) і короткими (б) каналами

Польовий транзистор можна розглядати як керуючий полем резистор. При проходженні струму резистор підігрівається, його опір збільшується, знижується крутість характеристики струму стоку S, відбувається саморегулювання. Наявність цього явища у ПТ робить їх термостабільними, не потребує професійних мір захисту від перегріву. За цією ж причиною ПТ можна вмикати у паралель, при цьому завдяки саморегулюванню однотипові прилади з початковим розкидом параметрів значно покращують свої параметри.

У ПТ, також як і у БТ, при підвищенні напруги на електродах можуть виникнути пробої. Діє декілька механізмів пробою. Аналіз таких механізмів призводить до наступних висновків: миттєві значення напруг еЗІ max і еСІ max повинні бити менші ніж еЗІ доп і еСІ доп, середня розсіювана потужність на ПТ не повинна перевищувати допустиме значення Ррас доп.

Еквівалентна схема найпростішого ПТ без врахування другорядних елементів, що мають слабкий вплив на роботу ПТ на порівняно низьких частотах , може бути зображена у вигляді послідовно з'єднаних ємностей заслін - джерело С_зі, опору втрат у вхідному ланцюзі Rзд і генератора струму (рис. 3, а).

Якщо до входу транзистора (3 - Д) прикласти напругу е_зд, то в ланцюзі стік - джерело потече струм

(1)

де S (е_зд) - крутість статичної характеристики струму іс, що залежить від напруги на засліні (див. рис. 4,а).

Еквівалентна схема реального генераторного ПТ, використана в радіочастотніх схемі (при f< 60.. .80 МГц), і зображена на рис. 3,б. На схемі позначені:С1, і С2 - ємності між виводами заслін - джерело і стік - джерело; Lз, Lс, Lи - індуктивності виводів; Rз, Rс, Rи - опір виводів; Сзп і С_зи разом утворюють ємність заслін - джерело; Rзи - резистор, що враховує втрати у ланцюзі заслін - джерело; С_зс - ємність між заслоном і джерелом; Ri - внутрішній опір транзистора; С_си - вихідна ємність стік - джерело. Активні властивості ПТ представлені генератором струму.

У реальних ПТ ємності С_зс і С_зв нелінійні, їхня залежність від напруги е_си показана на рис. 3 ,в. Для багатьох випадків застосування ПТ ці ємності можна розглядати як постійні, оскільки досить різка їхня зміна настає при малих значеннях ( для ПТ із коротким каналом звичайно е_СВгр = 5 В).

Польовий транзистор у ГЗЗ може вмикатися за схемою або з ЗВ, або з ЗЗ. У першому випадку можна одержати значне посилення каскаду за напругою, максимальне значення K_Umax якого обмежено вимогами стійкої роботи:

. (2)

Ввімкнений за схемою з ЗЗ польовий транзистор може стійко працювати на більш високих частотах, але лише як підсилювач потужності.

Рисунок 3 - Еквівалентні схеми ПТ

При аналізі роботи і розрахунку режимів ГЗЗ на ПТ вихідні статичні характеристики (див. рис. 2) і прохідні (див. рис. 4) можна з успіхом ідеалізувати (рис. 5 а,6).

генератор зовнішній збудження

Рисунок 4 - Прохідна характеристика ПТ

Прохідна характеристика (рис. 5,а) починається при деякій граничній напрузі Е_Зп на засліні, має майже квадратичну ділянку АВ і ділянку ВР майже лінійної зміни і_с при зміні е_зв.

Ідеалізована характеристика ПТ і відповідний графік імпульсу струму стоку і_с представлені на рис. 5,а і 6. Прохідна характеристика (див. рис. 4) визначається крутістю характеристики струму стоку S = tga₂ і напругою відсічення Е_ЗВ`. Сімейство вихідних ідеалізованих характеристик визначається наступними параметрами:

крутістю характеристики струму стоку ;

крутістю лінії граничного режиму ;

напругою відсічення струму стоку е^II_зв = Е^I_зв.

Визначення параметрів S, Е^`_зв, S_гр для ідеалізованих характеристик можна виконувати за методикою.

Якщо подати на заслін і стік ПТ напруги е_зв і е_св, то струм стоку

і_с=S(е_зв-Е_зв`). (3)

Рівняння для амплітуди імпульсу струму стоку в граничному режимі:

І_Сm=S_гре_св (4)

Неважко помітити, що отримані для ПТ ідеалізовані СХ цілком аналогічні ідеалізованим характеристикам лампового пентода або тріода з D=0. Однакові також і рівняння ідеалізованих СХ (3). Цією обставиною скористаємося при аналізі роботи ГЗЗ на ПТ.

Принципова схема резонансного ГЗЗ на ПТ, ввімкненому за схемою з ЗВ, показана на рис. 6. На заслін через розділовий конденсатор С₁, подається напруга збудження і крізь опір R₁, - напруга зсуву E_зi. Миттєва напруга на заслоні . Для живлення ланцюга стоку крізь дросель L_c підводиться напруга E_св. Постійна складова струму стоку І_С0 тече крізь L_c до джерела живлення. Змінна складова проходить крізь конденсатор Сс. На резонансному контурі, налаштованому на частоту , виділяється напруга U_K = І_с1R_е = U_c. Миттєва напруга на стоці .

Рисунок 5 - Ідеалізація СХ польових транзисторів

Підставивши в рівняння (3) значення, і cost із , після перетворень одержимо рівняння висхідної частини динамічної характеристики струму і_с (рис. 5,а, лінія АС):

. (5)

Правіше точки С, тобто при е_св > Е_св + (Е_зв - Е'_зв)U_C/U_з динамічна характеристика збігається з віссю абсцис. На рис. 5,а зображені дві динамічні характеристики: А₁ С₁, при R_екв = 0 і ACD при R_екв = R_{екв гр.} При обраній апроксимації СХ ПТ амплітуда імпульсів струму стоку І_Сm у недонапруженому режимі не залежить від R_екв і Е_СВ, а огинаюча імпульсів струму стоку має косинусоподібний характер.

Підставивши вираз для е_зв у (3), одержимо рівняння для i_c у вигляді функції часу:

. (6)

Рисунок 6 - Схема ГЗЗ на ПТ

Звідси, поклавши і_с = 0 і = 0, t = 0, одержимо

. (7)

З врахуванням (7) рівняння (6) можна записати у вигляді

при ; (8)

i_с = 0 при .

Амплітуда імпульсу струму і_с визначається з (8) при t = 0:

. (9)

Усі приведені співвідношення цілком аналогічні відповідним співвідношенням для лампового тріода D = 0. Тому наступні формули, необхідні для розрахунку параметрів режиму ПТ у граничному або недонапруженому режимі. Постійна складова й амплітуди першої і другої гармонік струму стоку:

;

; .

тут і - введені коефіцієнти розкладання косинусоподібного імпульсу.

Якщо обран тип ПТ (відомі S, S_гр , Е'_зв), задана необхідна корисна потужність у навантаженні Р₁, обрані напруги постачання у ланцюзі стоку Е_св і кут відсікання струму стоку , то коефіцієнт використання стокової напруги в граничному режимі:

.

Для недонапруженого режиму варто прийняти _.

При виборі напруг живлення Е_СВ, зсуву Е_ЗВ й амплітуд змінних напруг варто враховувати, що для потужних генераторних ПТ існують (даються в довідниках) максимально допустимі миттєві напруги на заслоні е_{ЗВ дод} і стоці е_{СВ дод}, максимально допустимі постійні напруги Е_{ЗВ дод} і Е_{СВ дод} і максимально допустимий струм І_{С тах}. При роботі ПТ у реальних пристроях ці напруги і струм не повинні перевищувати допустимі значення.

Коефіцієнт підсилення ГЗЗ із ПТ у недонапруженому або граничному режимі можна приблизно одержати з наступних міркувань: внутрішній опір R_i (див. рис. 3,6), що складає для потужних ПТ кілька сотень Ом, завжди на багато більше, ніж R_екв. Тому вихідна потужність на навантаженні R_екв.

.

У вхідному ланцюзі ВЧ потужність розсіюється на опорах R_з, R_зв, R_в (див. рис. 3,6) і на опорі R_l (див.рис. 6). Оскільки і , то потужність, що розсіюється у вхідному ланцюзі, , де . Тут R'_зв - еквівалентний активний опір на частоті ланцюжка з R_зв і С_зв.

Коефіцієнт підсилення по потужності:

.

Розрахунок параметрів ГЗЗ на ПТ із ЗВ за наведеними вище формулами можна проводити на будь-яких робочих частотах. Однак на частотах вище 30. ..50 МГц, де вже помітно впливає ємність С_зв (див. рис. 3,6), після розрахунку параметрів режимів і вибору елементів схеми ГЗЗ доцільно перевірити стійкість підсилення. Для цього потрібно за довідником визначити Y - параметри для ПТ, приведені провідності джерела збудження G_в і навантаження G_н і підставити у формулу для петлевого підсилення каскаду:

,

де g₁₁ і g₂₂ - активні частини вхідної і вихідної провідності ПТ. Якщо К > 1 , то ГЗЗ буде не стійкий.

Розрахунок параметрів режиму стокового ланцюга на цих частотах виконується так, як показано вище. Розрахунок параметрів режиму ланцюга засліна, однак, вимагає врахування реактивних елементів еквівалентної схеми ПТ і може бути виконаний у наступному порядку.

З довідника для обраного ПТ виписуються необхідні параметри: напруга відсічення струму стоку Е'_зв = Е_отс, опір насичення r_нас = 1/S_гр , внутрішній опір ПТ R_і, а також С_кап = С_зв, r_кап = R_зв, С_зв, С_св, R_з, R_в, R_c,, L_з, L_н,, L_c. Після обрання напруги живлення ланцюга стоку Е_СИ і кута відсічення струму стоку для заданої потужності визначаються , U_СИ, а також параметри в ланцюзі стоку:

; ;

Для ланцюга засліна визначаються: амплітуда напруги збудження:

;

напруга зсуву на засліні:

;

амплітуда струму в ланцюзі засліна:

,

де .

У формулах для U_ЗИ, І_З, і опір R_і',. - це внутрішній опір вихідного ланцюга транзистора змінному струму І_С1, з урахуванням кута відсікання:

,

де R_і - внутрішній опір транзистора постійному струму, взятий із довідника.

Присутність у формулах для U_ЗВ і І_з множника (1 + R_екв/R_і') пояснюється тим, що в ланцюзі струму стоку є послідовно включені джерело з напругою Е_си, еквівалентний опір навантаження R_екв і внутрішній опір транзистора R_і'. Зазначений множник враховує спадання напруги від струму стоку на внутрішньому опорі транзистора.

Еквівалентна схема входу ПТ, за схемою з ЗВ, складається з трьох послідовно ввімкнених елементів: L_{вх ОВ}, С_{вх ОВ} і r_{вх ОВ}, які розраховуються за формулами:

;

;

.

Визначивши за цими параметрами резистивну і реактивну складові вхідного опору ПТ у схемі з ЗВ:

r_вх = r_{вх ОВ};

.

можна розрахувати потужність, споживану ПТ від попереднього каскаду Р_вх = І²_зr_вх/2 і коефіцієнт підсилення ГЗЗ за потужністю К_р = Р₁/Р_вх.

При розрахунку частотних характеристик і стійкості ГЗЗ на ПТ для роботи в діапазоні вище 60...80 МГц варто використовувати більш складну еквівалентну схему, що точніше описує внутрішні ємності транзисторів. При аналізі ГЗЗ на ПТ із бар'єром Шотки також рекомендується скористатися еквівалентною схемою саме для цих транзисторів. Що ж стосується розрахунку енергетичних параметрів, то їх можна визначити за СХ аж до найвищих робочих частот.

Необхідність радіатора при проектуванні ГЗЗ на ПТ і його розміри визначаються так само, як для ГЗЗ на БТ.

Размещено на Allbest.ru